Alice Racine est une ancienne interrogatrice de la CIA. Traumatisée par un échec professionnel deux ans plus tôt, elle a préféré se retirer. Bob Hunter, son ancien directeur, la contacte pour déjouer une attaque imminente sur Londres. Elle est chargée d'interroger un homme suspecté d'être le messager de terroristes djihadistes. Pour appréhender son terrible adversaire, Alice reçoit l’aide de son ancien mentor, Eric Lasch, et d’un membre des forces spéciales, Jack Alcott. Trahie et manipulée, elle va rapidement s'apercevoir que l’agence a été infiltrée et va devoir déjouer cette conspiration.
Un agent des services de renseignement britanniques (Mark Strong) est contraint de partir en cavale avec son frère (Sacha Baron Cohen), qu'il avait perdu de vue depuis plusieurs années. Ce dernier, fan du Grimsby Town FC et surtout hooligan, vit dans le nord de l'Angleterre et n’a aucun point commun avec son frère.
Perry et Gail sont en vacances en amoureux à Marrakech. Un soir, Perry rencontre un certain Dima, alors que Gail doit s'absenter pour son travail. Perry se lie rapidement avec ce mystérieux Russe. Perry va rapidement découvrir qu'il blanchit de l’argent pour la mafia russe. Contre toute attente, Dima demande à Perry de remettre une clef USB au MI6 lors de son retour à Londres. Dima souhaite livrer des informations explosives aux services secrets britanniques en échange de la protection de sa famille. Perry et Gail sont alors embarqués dans cette affaire, qui les mène entre Paris et Berne.
Un message cryptique venu tout droit de son passé pousse Bond à enquêter sur une sinistre organisation. Alors que M affronte une tempête politique pour que la section 00 des services secrets britanniques ne soit pas supprimée, Bond s'allie avec la fille d'un ancien ennemi, Madeleine Swann, afin de découvrir la terrible vérité derrière le SPECTRE...
Au début des années 1960, durant la guerre froide, l'agent de la CIA, Napoleon Solo est contraint de collaborer avec l'agent du KGB Illya Kouriakine pour lutter contre une organisation criminelle internationale. Ces deux agents, au style très opposé, n'ont qu'une seule piste : la fille d'un scientifique allemand porté disparu qui est le seul à pouvoir infiltrer l'organisation criminelle.
Durant une mission au Moyen-Orient, l'espion britannique Harry Hart et presque tous ses agents échappent à la mort grâce au sacrifice de l'un d'eux. À son retour en Angleterre, il tente de réconforter la veuve de celui-ci. Mais celle-ci est inconsolable et refuse la médaille de bravoure que Harry lui offre ; aussi la donne-t-il à son jeune fils, Gary « Eggsy » Unwin ; cette médaille comportant un numéro de téléphone, à utiliser avec un mot de passe en cas d'urgence.
Lors d’un transfert à la CIA du terroriste américano-pakistanais Adem Qasim, celui-ci réussit à prendre la fuite. Le patron de l’unité antiterroriste Harry Pearce, considéré comme responsable, disparaît. Will Holloway, ancien du MI-5, est chargé d’élucider les circonstances de cette évasion et retrouver Harry Pearce. Will Holloway, avec l’aide d’Harry Pearce, va traquer et neutraliser le terroriste.
Modeste et discrète analyste quadragénaire de la CIA, Susan Cooper assiste à distance l'agent de terrain Bradley Fine lors de ses missions. Au cours d'une de ses missions, Fine tue accidentellement le marchand d'armes Tihomir Boyanov après avoir éternué pendant une confrontation avec ce dernier afin de trouver l'emplacement d'une valise contenant une arme nucléaire. Susan découvre que la fille de Boyanov, Rayna, a contacté Sergio De Luca, courtier soupçonné d'avoir des liens avec divers groupes terroristes. Fine infiltre la maison de Rayna, mais est désarmé par la jeune femme, qui n'hésite pas à abattre l'agent, sous les yeux de Susan via la caméra oculaire en ligne de Fine. Rayna révèle qu'elle connaît les identités d'agents infiltrés, notamment Karen Walker et Rick Ford.
Après avoir intercepté un gaz toxique vendu à un groupe terroriste, l'agent Ethan Hunt (Tom Cruise) pense pouvoir démontrer l'existence du Syndicat, un groupe criminel agissant à l'échelle internationale. Capturé dans une station londonienne de la Force Mission impossible (IMF) camouflée en magasin de disque, il s'enfuit d'une pièce où il s'apprête à être torturé par Janik Vinter (Jens Hultén), grâce à l'aide d'une agente désavouée du MI6, Ilsa Faust (Rebecca Ferguson). Entre-temps, le directeur de la CIA, Alan Hunley (Alec Baldwin), et l'agent William Brandt (Jeremy Renner) paraissent devant une commission du gouvernement américain. Hunley obtient que l'IMF soit démantelée et ses agents intégrés au sein de la CIA. Ethan Hunt refuse la décision et continue sa traque du Syndicat en cherchant activement un homme blond portant des lunettes, plus tard identifié comme Solomon Lane (Sean Harris).
1957, en pleine guerre froide, James B. Donovan, un avocat américain, accepte de défendre Rudolf Abel (qui est en fait William Fischer se faisant passer pour lui, même si cela n'est pas précisé dans le film), un espion soviétique installé depuis des années aux États-Unis. Malgré ses réticences et ses craintes pour sa carrière, il accepte cette mission à la demande des autorités et de son cabinet d'avocats, pour montrer la supériorité d'un État de droit sur le système soviétique. Alors que pour le juge chargé de l'affaire, la condamnation à mort ne fait aucun doute, Donovan parvient à obtenir une peine de prison. Une partie de la population désapprouve ce verdict. La famille de Donovan est victime d'une agression et sa femme et ses enfants regrettent son engagement.
En 1911, lors de la colonisation japonaise de la Corée, un résistant, Yeom Sek-jin tente d'assassiner sans succès le gouverneur-général et un homme d'affaires favorable aux Japonais, Kang In-guk.
Jack Ryan, un jeune analyste de la CIA sous couverture chargé de traquer les sources de financement du terrorisme, découvre un complot russe, mené par l'industriel Viktor Cherevin, dont le but est de détruire l'économie américaine en profitant d'une attaque terroriste d'envergure.
L'ancien agent de la CIA Peter Devereaux, alias « The November Man », reprend du service pour exfiltrer de Russie Natalia, une ancienne espionne qu'il a connue à Berlin et qui détient des renseignements très compromettants sur le futur président de la République de Russie. Mais rien ne va se passer comme prévu...